II. ФЕРМЕНТИ
ІІ.1. Визначення, хімічна природа та будова ферментів. Ферменти — біологічні каталізатори білкової природи. Розділ біохімії, що вивчає біологічні каталізатори білкової природи, називається ензимологією. Ферментативні реакціїї мають деякі особливості. На відміну від каталізаторів неорганічної природи ферменти «працюють» у «м'яких» умовах: при атмосферному тиску, при температурі 30-40°С, при значенні рН-середовища близькому до нейтрального. Швидкість ферментативного каталізу набагато вище, ніж небіологічного. Єдина молекула ферменту може каталізувати від тисячі до мільйона молекул субстрату за 1 хвилину. Така швидкість недосяжна для каталізаторів неорганічної природи. За будовою ферменти поділяються на прості (однокомпонентні) і складні (двокомпонентні). Простий фермент складається тільки з білкової частини; до складу складного ферменту входить білкова і небілкова складові. Інакше складний фермент називають холоферментом. Білкову частину в його складі називають апоферментом, а небілкову — коферментом. За хімічною будовою коферменти поділяються на такі групи: аліфатичного ряду (глутатіон, ліпоєва кислота); ароматичного ряду (вітаміни групи К), гетероциклічного ряду (похідні піридоксину, вітаміну В1, фолієвої кислоти, нуклеозидів та нуклеотидів, АТФ та інші). Більшість коферментів є похідними вітамінів. Але коферментні функції виконують і інші сполуки, наприклад, трипептид глутатіон. Особливістю складних ферментів є те, що окремо апофермент і кофермент не володіють каталітичною активністю. У складі як простого, так і складного ферменту, виділяють субстратний, алостеричний і каталітичний центри. Каталітичний центр простого ферменту являє собою унікальне сполучення декількох амінокислотних залишків, розташованих на різних ділянках поліпептидного ланцюга. Утворення каталітичного центра відбувається одночасно з формуванням третинної структури білкової молекули ферменту. Найчастіше до складу каталітичного центра простого ферменту входять залишки серину, цистеїну, тирозину, гістидину, аргініну, аспарагінової і глутамінової кислот. Субстратний центр простого ферменту — це ділянка білкової молекули ферменту, що відповідає за зв'язування з субстратом. Субстратний центр виразно називають «якірною площадкою», де субстрат прикреплюється до ферменту за рахунок різних взаємодій між визначеними бічними радикалами амінокислотних залишків і відповідних груп молекули субстрату. Субстрат з ферментом зв'язується за допомогою іонних взаємодій, водневих зв'язків; іноді субстрат і фермент зв'язуються ковалентно. Гідрофобні взаємодії також грають значну роль при зв'язуванні субстрату з ферментом. В простих ферментах субстратний центр може збігатися з каталітичним; тоді говорять про активний центр ферменту. Так, активний центр амілази - ферменту, що гідролізує α-1,4-глікозидні зв`язки в молекулі крохмалю, – представлений залишками гістидину, аспарагінової кислоти і тирозину; ацетилхолінестерази, що гідролізує складноефірні зв`язки в молекулі ацетилхоліну, - залишками гістидину, серину, тирозину і глутамінової кислоти. В активному центрі карбоксипептидази А, що гідролізує визначені пептидні зв`язки в молекулі білка, локалізовані залишки аргініну, тирозину і глутамінової кислоти. Алостеричний центр являє собою частку молекули ферменту, у результаті приєднання до якої деяких низькомолекулярних речовин змінюється третинна структура білкової молекули ферменту, що спричиняє зміну його активності. Алостеричний центр є регуляторним центром ферменту. У складних ферментах роль каталітичного центра виконує кофермент, що зв'язується з апоферментом у визначеній ділянці. Поняття субстратного й алостеричного центрів для складного ферменту і для простого аналогічні.
II.2. Властивості ферментів 1. Специфічність дії. Одна з унікальних властивостей ферментів є їх висока специфічність у відношенні їх дії на субстрат. (Субстрат — це речовина, на яку направлена дія ферменту). Розрізняють таки види специфічності дії ферментів: 1. Абсолютна специфічність: Має місто тоді, коли фермент діє на одну речовину та здійснює каталіз тільки однієї реакції. Наприклад, уреаза прискорює реакцію гідролітичного розщеплення сечовини, але зовсім не діє на її похідні, наприклад, метил сечовину. Фермент аргіназа каталізує реакцію гідролізу тільки амінокислоти аргініну. 2. Абсолютна групова специфічність. Є ферменти, дія яких прилаштована до визначеного типу реакції, наприклад, ферменти дегідрогенази. Всі вони каталізують реакцію відщеплення водню, але в залежності від субстрату проявляється специфічність дії окремих дегідрогеназ. Реакцію дегідрування (окислення) молочної кислоти прискорює лактатдегідрогеназа. Дегідрування яблучної кислоти здійснюється в присутності ферменту малатдегідрогенази. Реакцію дегідрування янтарної кислоти прискорює сукциндегідрогеназа.: 3. Відносна групова специфічність. Є ферменти, дія яких специфічна відносно типу хімічного зв'язку. Відносна групова специфічність демонструється в тому, що фермент “впізнає” один тип зв'язку. Наприклад, пепсин (головний фермент шлункового соку) здійснює гідроліз пептидного зв'язку між ароматичною та кислою амінокислотами в будь-яких білках, а ліпаза здійснює гідроліз складноефірного зв'язку в будь-яких жирах та нейтральних триацилгліцеридах. 4. Оптична активність. Проявляється тільки у випадку оптично активних речовин. Фермент діє тільки у відношенні до одного оптичного ізомеру (оптичного антиподу). Якщо у реакційній суміші (суміш однакових кількостей правообертаючого та лівообертаючого ізомеру), то розщепленню піддається тільки половина субстрату. Але в останні роки виявлено ферменти рацемази, які з однаковим успіхом можуть діяти на обидві оптичні форми даної речовини.
2. Висока каталітична активність. Ферменти проявляють каталітичну активність в дуже малій кількості. Наприклад, фермент пероксидаза, що прискорює окислення органічних субстратів за участю гідроген пероксиду, проявляє свою активність при розведенні однієї частини ферменту у 500 млн. часток води. Фермент, знаходячись у невеликій кількості, може здійснювати реакцію з великою кількістю субстрату. Наприклад, 1 моль сахарази може за 1 сек. каталізувати реакцію гідролізу 1000 молей сахарози, 2г кристалічного пепсину може розщепити 50000г денатурованого яєчного білка або звурджити 100000 л молока. 3. Термолабільність. Властивість ферментів залежати від температури називається термолабільністю. Температура, при якій фермент найбільш активний, називається температурним оптимумом. Для більшості ферментів температурний оптимум складає 40°С. При температурі більш 50°С різко збільшується денатурація ферментного білка, при цьому знижується його каталітична активність. При температурі більш 80°С фермент повністю інактивується внаслідок денатурації білка. При температурі нижче 0°С ферменти не руйнуються, але активність їх спадає майже до “0”, при підвищенні температури до оптимуму активність наростає. Таким чином, залежність активності більшості ферментів від температури графічно має дзвіноподібну кривізну. На горі її — оптимальна температура, а із зниженням та підвищенням активність ферменту зменшується.
|
